Способ определения удароопасности массива горных пород Советский патент 1993 года по МПК E21F5/00 

Изобретение относится к горному делу и может быть использовано для определения состояния и свойств горных пород при отработке месторождений подземным спо- собом.

Известен способ определения удароо- пасности массива горных пород, основанный на измерении скорости распространения продольной и сдвиговой волн с помощью межскважинного прозвучи- вания вблизи горной выработки, установлении величин и скоростей продольных и сдвиговых волн и предела прочности пород на сжатие при испытаниях на образцах, расчете условны акустических показателей и привязке к другим удароопасным признакам, получаемым в результате локального прогноза, и приближенной оценке степени удароопасности.

Известный способ трудоемок, нетехнологичен, локален и не позволяет однозначно оценивать степень удароопасности массива горных пород.

Известен способ определения удароопасности массива горных пород, включающий отбор образцов горных пород при бурении скважин, установку в скважинах наблю- дательных станций по определению параметров колебаний продольных и сдвиговых колебаний, определение лабораторным путем по предварительно отобранным образцам скоростей и амплитуд продольных и сдвиговых волн при нормальной и повышенной нагрузках, измерение в массиве относительных изменений скоростей продольных колебаний, сопоставление полученных в шахтных условиях и на образцах информации с данными о напряженном состоянии массива горных пород и оценку уда- роопасности данного массива горных пород.

Этот способ также не дает однозначного ответа о состоянии удароопасности массива горных пород, локален, трудоемок, нетехнологичен, не позволяет измерять кинематические и динамические параметры сдвиговых колебаний с взаимно ортогональной поляризацией с высокой степенью точности.

СП

С

vj

00

а ю

а

Цель изобретения - повышение точности и безопасности определения удароо- пасности массива горных пород.

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определяют относительные изменения амплитуд и скоростей коле- баний для продольных и сдвиговых колебаний с взаимно ортогональной поляризацией; при этом критерии выбросоопас- ности торных пород для лабораторных и шахтных условий определяют при сжимающих и растягивающих нагрузках, равных 0,7 от разрушающих напряжений, из соотношений:

Ki Vp/Ys 2. K2 Vp/Vs.3, .2/VS.3

(1).

K4 Ap/As-2, Ks Ар/As- 3, Ke As 2/As-3 и при значениях Ki - Кб полученных в шахтных условиях, больших или равных Ki - Кб, полученных в лабораторных условиях, массив горных пород считают удароопасным.

Сопоставляют уровни амплитуд продольных и двух сдвиговых колебаний с напряжениями при измерении колебаний и напряжений во времени в массиве горных пород, причем, измерение напряжений фиксируют тензодатчиками.

На фиг. 1 приведена блок-схема для осуществления способа, где 1 - дефектоскоп, 2-коммутатор, 3-наблюдательные станции, 4-самописец, 5-транскриптор; 6- цифропечатающее устройство; на фиг. 2 изображена наблюдательная ультразвуковая станция в массиве горных пород, где 7-горный массив, 8,10-скважины, 9,11-при- емный и излучающий ультразвуковые зонды со встроенными в них преобразователями Р, S- 2 и S 3-колебаний и с возможностью вращения преобразователей сдвиговых колебаний нормально фронту распространения упругой волны в пределах 2П по данному направлению распространения, 12-выработка.

Способ осуществляют следующим образом. В месте наблюдения за удароопас- ностью массива горных пород отбирают образца горных пород на которых затем в лабораторных условиях определяют плотность и измеряют в них относительные изменения амплитуд и скоростей продольной и двух сдвиговых волн с взаимно ортогональной поляризацией при нормальном и высоком давлении вплоть до разрушения. В скважинах, пробуренных в массиве, стационарно размещают шахтные ультразвуковые зонды со встроенными в них преобразователями продольной и двух сдвиговых волн с взаимно ортогональной поляризацией. Относительные изменения амплитуд и скоростей продольных и двух

сдвиговых волн с взаимно-ортогональной поляризацией на образцах определяют на уровне 0,7 от разрушающих напряжений и по формулам (1) определяют критерии удароопасности исследуемых горных пород. Затем с помощью блок-схем, представленных на фиг. 1, 2, выполняют акусто-поляри- зационные измерения амплитуд и скоростей продольной и двух сдвиговых

0 волн с взаимно-ортогональной поляризацией непосредственно в массиве горных пород, для чего возбуждают посредством излучающего зонда 11 последовательно продольные и сдвиговые колебания и реги5 стрируют эти волны приемным зондом 9. Зондирующие импульсы, прошедшие контролируемый массив 7, поступают на вход дефектоскопа 1 и через коммутатор 2, связанный с транскриптором 5, - на АЦП 6 и

0 точечный самописец 4, Полученную информацию в массиве горных пород сопоставляют с лабораторными данными, полученными на образцах горных пород, для чего измеряют тензодатчиками напря5 жения в массиве горных пород, сопоставляют их с уровнями амплитуд продольных и двух сдвиговых колебаний во времени и по ним судят об удароопасности горных пород в массиве, причем критерием выбросоопас0 ности горных пород считают отношение амплитуд и скоростей продольных и двух сдвиговых волн с взаимно-ортогональной поляризацией при сжимающих и растягивающих нагрузках на уровне 0,7 от разрушаю5 щих напряжений для пород данного типа.

Сущность способа состоит в том, что при различных видах напряженного состояния - сжимающих и растягивающих нагрузках упругие волны ведут себя следующим

0 образом. Скорости продольной волны и сдвиговых волн зависит от знака действующих напряжений и для сдвиговых волн - от поляризации волны. На фиг. 3 приведены результаты измерений скоростей и ампли5 туд продольной и двух сдвиговых волн при различных контактных давлениях с использованием динамометрического метода измерения. Точность измерения скорости находится в пределах 1 %, амплитуд-5%. На

0 фиг. 4 и 5 приведены результаты измерения амплитуд и скоростей упругих волн в зависимости от приложенного давления для фойяита. На фиг, 6 приведены результаты натурных измерений амплитуд Р- и S-2-волн и

5 показано наступление удароопасного состояния со стороны сжимающих напряжений.

В таблице приведены результаты лабораторных испытаний горных пород Лово- херского ГОКа при одностороннем сжатии и

растяжении и найдены эмпирические зависимости между скоростями продольной и двух сдвиговых волн и действующими в породах напряжениями.

Преимущества способа состоят в том, что комплексирование двух методов измерения удароопасности пород в массиве - прямого с использованием тензодатчиков и косвенного с использованием информации на упругих волнах - позволяет значительно повысить точность и безопасность при определении удароопасности массива горных пород в процессе ведения горных работ и снизить вероятность проявления динамики горного давления и уровень травматизма в подземных условиях по сравнению с известными традиционными методами определения удароопасности горных пород в массиве.

Использование описанного способа позволит значительно повысить точность и информативностьгеоакустическойинформации об удароопасности массива горных пород по сравнению с имеющимися способами, использующими в основном информацию на Р-волнах.

Формула изобретения 1. Способ определения удароопасности массива горных пород, включающий отбор образцов горных пород при бурении скважин; установление в скважинах наблюда- тельных станций по определению параметров колебаний продольных и сдвиговых волн, определение лабораторным путем по предварительно отобранным образцам скоростей и амплитуд продольных и сдвиговых волн при нормальной и повышенной нагрузках, измерение в массиве горных пород относительных изменений скоростей продольных колебаний, сопоставления полученных в шахтных условиях и на образцах информацией с данными о

напряженном состоянии массива горных пород, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и безопасности определения удароопасности массива горных пород, определение относительных и изменений амплитуд и скоростей колебаний производят для продольных и двух сдвиговых колебаний с взаимно ортогональной поляризацией, при этом критерии выбросоопас- ности горных пород для лабораторных и

шахтных условий определяют при сжимающих и растягивающих нагрузках, равных 0,7 от разрушающих напряжений из соотношений

Ki Vp/Vs. 2. К2 Vp/Vs -з, Кз VS. 2/VS. з.

К4 Ap/As -2, Кб Ap/As 3, Кб As 2/ AS . 3.

где Vp, Ар - соответственно скорости и амплитуды продольных колебаний;

Vs-3, As,3 скорости и амплитуды первого сдвигового колебания соответственно: Vsi 2, ASV 2 - скорости и амплитуды второго сдвигового колебания соответственно, и при значениях Ki-Кб, полученных в шахтных условиях больше или равных Ki-Ke, полученных в лабораторных условиях, массив горных пород считают удароопасным.

2, Способ по п. 1, отличающийся тем, что сопоставление уровней амплитуд

продольных и двух сдвиговых колебаний с напряжениями производят при измерении колебаний и напряжений во времени в массиве горных пород, причем измерение напряжений фиксируют тензодатчиками.

-125 0

5QO 1000 б,м/смг Фиг.2

тЪг.5

Удароолосная граница для данного /яма/rqpod /° л/я/ сжимамщиг нагружая, хг/смг х

Зеличмм регистрирует/ сигмалоД 0л7ношеме а мл м//я#0Р- -So.

Определяют параметры скорости и амплитуды продольных и сдвиговых волн при нормальной и повышенной нагрузках. Определяют относительные изменения амплитуд и скоростей колебаний с взаимноортогональной поляризацией. Определяют критерии выбросоопасности горных пород для лабораторных и шахтных условий при сжимающих и растягивающих нагрузках. При значениях критериев, полученных в шахтных условиях, больших или равных их значений, полученных в лабораторных условиях, массив горных пород считают удароопасным. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

Редактор

Фиг.В

Составитель А.Бакулин Техред М.Моргентал

10

Ж

Корректор З.Салко